新型化工防腐技术在桥梁腐蚀与防护领域的应用研究

＊王静 王宁 樊志彬 赵倩玉 侯保荣* 宁延利 胡艺腾

（1.中国科学院海洋研究所 山东 266071 2.国网山东省电力公司电力科学研究院 山东 250003）

前言

交通基础设施是影响国家城市可持续发展的一大关键因素，公路、铁路、水路交织成一张运输网。据交通运输行业相关统计表明：截至2020年，我国公路桥梁数量达91.28万座，长度6628.55万延米，桥梁已成为我们生活中不可或缺的一种交通基础设施[1]，如立交桥、高架桥、跨江越海桥、跨壑越峡桥……桥梁便利了我们的生活，拉动了经济的增长，平衡了地域的发展。

然而，桥梁的维护是桥梁使用过程中不容忽视的难题，通常维修所花费的时间和金钱要远高于修建一座新桥[2-7]。恶劣气候、腐蚀环境及日积月累的承重载压，使桥梁的服役寿命大大缩短，不仅造成经济上的巨大损失，同时桥梁坍塌等事故也给我们的生命安全带来严重威胁[8-11]。桥梁中应用有大量的金属钢材，如钢索主缆、吊杆、锚头、护栏、螺栓、锚室内附属部件等，这些部位的腐蚀失效在很大程度上决定着桥梁的使用寿命，所以解决这些桥梁异型部件的腐蚀失效问题即成为维护桥梁使用安全的关键因素[12-17]。

图1 南昌新八一大桥拉索锚头腐蚀、拉索PE护套开裂

1.腐蚀失效实例分析

江西省南昌新八一大桥于1997年9月29日建成通车，全桥拉索144根。2005年江西省交通工程质量检测中心对南昌新八一大桥主桥进行病害检测和结构健康状况评定，结果发现下端拉索锚头锚杯内外表面金属腐蚀量达到10%，自然剥落锈块达25mm以上。最终于2009年全面换索，拉索实际使用寿命11年，换索费用约1亿元。

四川宜宾小南门金沙江大桥于1990年6月建成通车。2001年11月7日，两边跨8根吊杆因腐蚀断裂，部分桥面垮塌。事故造成2人失踪，2人死亡，3人受伤，3部车辆坠入江中，1船被毁。整个事故造成直接经济损失约1千万元人民币。

图2 宜宾小南门金沙江大桥桥面垮塌和拉索病害

福建福州解放大桥为五联跨钢管砼中承式拱桥，全桥总长324m。大桥于1996年10月建成通车。2001年对该桥进行检查时发现，该桥存在吊杆下端积水和锚头及索体钢丝锈蚀等病害。2008年更换全桥84根吊杆，直接费用约600万元人民币。

四川嘉陵江石门大桥，1994年建桥，2004年换索，全桥共有拉索216根，每根钢索的造价在20万元以上，设计寿命是20年，但实际使用寿命仅为10年；孔雀河大桥在2011年4月12日，主跨第二根吊杆断裂，造成约10m长的桥面塌陷，致交通中断，不仅国内发生许多桥梁的腐蚀事件，国外也曾报道过因腐蚀而造成桥梁坍塌的事故。

2018年8月14日，莫兰迪大桥南侧电缆断裂，导致西侧部分区域断裂，数十辆汽车坠落到150英尺的波尔塞维拉河以及附近的街道和铁路轨道上，事故造成43人死亡、16人受伤。调查结果表明桥梁坍塌是由于空气中的水和盐渗入桥梁混凝土形成裂缝，长期以往致使桥梁钢缆受到腐蚀破坏造成的。

委内瑞拉的Maracibo桥建成于1960年，在风雨的侵蚀及拉索的震动影响下192根钢索中有25根存在严重隐患。由于没有及时发现并采取相应的措施，其中1根拉索于1979年2月突然发生断裂，造成桥体的局部坍塌，当时耗资5000万美元、历时两年才更换了全部384根斜拉索。

图3 桥梁主缆腐蚀

英国哈默天桥，钢缆索腐蚀失去拉力，2012年更换；英国福斯公路大桥，螺母螺栓腐蚀，2012年投入14.7亿英镑完成更换吊索工程；德国汉堡的Kohlbrand Estruary桥，由于斜拉索腐蚀严重，建成的第三年就更换了全部的斜拉索，耗资达6000万美元，是原来造价的四倍。

综合以上国内外桥梁事故案例分析不难看出，桥梁的拉索、吊杆、螺栓、锚式结构、球型节点的失效往往是导致桥梁失效的主要原因。对桥梁易发生腐蚀破坏的异型部件进行整理分类，主要可以分为如下两大类别：

（1）锚室内的锚碇等部件，这是悬索桥的主要承重构件之一，锚碇系统的安全性、稳定性和耐久性对悬索桥的安全运营起到至关重要的作用。然而，由于锚室位于地下，经常存在裂缝透水现象，易形成潮湿、积水的严酷腐蚀性环境，如锚碇等部件受到腐蚀，将严重影响到桥梁整体的使用寿命。

（2）桥梁大气区的钢索及附属部件，护栏螺栓、焊缝等异型节点部件，置于桥梁的外部，常年遭受大气环境的腐蚀，尤其是跨海大桥，海洋大气环境的腐蚀更为严酷。钢索、螺栓等异型部件长期处在高应力负荷下工作，即使发生轻微的腐蚀，其强度也会有较大损伤，严重威胁着桥梁整体的安全和寿命。

2.桥梁防腐措施

桥梁锚室内多长期积水，环境潮湿，针对锚室内的设施部件，目前采取的防腐措施主要有涂刷漆料、采用除湿系统、使用耐蚀钢等[18-24]。涂刷漆料价格便宜，但是锚室环境潮湿，且锚室内的锚具多为异型部件，表面处理困难，涂料的防护寿命短，防护效果差。除湿系统一方面设备费用贵，前期投入大，后期运营、维护费用高昂，另一方面，锚室空间庞大，尤其是隧道锚，水患严重，除湿系统无法把锚室整个空间的潮湿度长期控制在60%以下，所以在国内锚室除湿系统几乎成为摆设。对于使用耐蚀钢，虽然一定程度上可以提高钢的耐蚀能力，但价格相对较高，也必须配以相应的防腐措施。

桥梁处于大气区的部件，持续遭受到风吹、日晒、雨淋、盐雾及其他腐蚀性介质的侵袭，腐蚀环境恶劣[25,26]。针对桥梁拉索、吊杆等目前采取的主要防腐措施为PE套保护、使用不锈钢丝拉吊索及钢索干风除湿系统等；而对于桥梁护栏、索具、螺栓等异型部件，较为常用的防腐措施包括涂刷涂料、涂抹油性材料、防水胶等[27-30]。PE套虽然在一定时间内可以有效保护拉索、吊杆，但PE套易老化、开裂、变形、划伤甚至脱落（图4），导致水等腐蚀介质入侵，从而引发钢丝锈蚀，危及桥梁的使用安全，甚至造成严重的事故。使用不锈钢丝虽然可以延长拉索的使用寿命，减少换索次数，但其价格远高于传统拉吊索用钢丝价格，成本投入太大。涂刷防腐涂料是桥梁防腐普遍采用的措施，但是对于护栏、索具、螺栓等异型部件，由于表面处理难以达到标准，再加上涂装环境和施工技术的影响，防护寿命仅为1～3年。如图5所示，国内某新建桥梁，还未通车，就发现涂刷完涂料的护栏及螺栓部位，出现不同程度的腐蚀。采用涂抹大黄油、二硫化钼等油性材料保护时，此类材料在夏季会出现融化流淌的现象，需要定期维护，且融化流淌的油性材料不美观，还可能存在安全隐患。而防水胶之类的密封材料，仅具有阻隔水分的效果，本身并不具备防腐蚀的作用；并且该类材料与金属的结合力差，易老化、开裂，防护寿命短，后期维修、维护的成本高。

图4 PE破坏开裂照片

综上所述，采取现有的防护手段未能有效解决桥梁锚室及大气区异型部件的腐蚀问题，亟需采取针对性的腐蚀防护措施，以保障其安全使用，延长服役寿命。

3.新型桥梁防腐技术

(1)潮湿环境钢结构防腐解决方案——复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC)

①PTC技术的特点及优点

复层矿脂包覆防腐蚀技术（Petrolatum Tape and Covering system，PTC），由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带以及外防护层等部分组成，主要应用于海洋钢结构浪花飞溅区，也能适用于潮湿、积水环境钢结构防腐，是桥梁锚室钢结构防腐的最佳解决方案[31-33]。其中矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带是复层矿脂包覆防腐蚀技术的核心部分，其含有的复合缓蚀剂具备锈转化效果，能够实现带锈施工，大大降低表面处理的难度；还含有水置换成分，能够实现带水施工，即使长期浸泡在积水中，也能发挥有效防腐作用；矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带长期保持非固化状态，防腐寿命大于30年。

②PTC技术在桥梁防腐中的应用案例

A.柳州红光大桥散索、锚碇防腐工程

红光大桥位于柳州市中心，横跨柳江，为沟通柳州南北的重要桥梁。大桥于2002年9月30日开工，2004年8月28日通车。桥梁全长1040m，宽27m，双向四车道，总投资31261万元。

锚室由于临近江边，基本每年雨季都会出现进水现象。锚室内部比较潮湿，原有涂料防腐工艺不能满足防腐需求，导致部分锚具锈蚀比较严重。锚碇腐蚀情况如图6所示：

图6 下部锚碇锈蚀情况

2016年9月，对柳州红光大桥的锚碇部位进行了PTC整体防护，效果优良。

图7 锚碇包覆工艺及完成整体效果图

B.贵州坝陵河大桥锚室防腐工程

坝陵河大桥是国家重点公路建设项目沪瑞国道主干线贵州镇宁至胜境关高速公路跨越坝陵河大峡谷的一座特大桥。桥长1564m、主跨1088m，是2018年前“国内第一，世界第六”的大跨径钢桁加劲梁悬索桥，总投资14.8亿元。

2018年6月，中国科学院海洋研究所技术人员会同坝陵河桥隧管理站方对坝陵河大桥锚室钢结构的腐蚀状况进行了现场调研。现场调研发现，由于坝陵河大桥的锚固系统长期处于温润的潮湿环境当中，且锚室水患严重，虽然锚室装有干风除湿系统，但是仅仅9年多的时间，前锚室绝大多数的锚固系统出现了比较严重的涂层剥落和腐蚀问题。

图8 前锚室的锚具和张拉杆发生比较严重的腐蚀

2018年6月，中国科学院海洋研究所的技术人员会同坝陵河桥隧管理站方一起选取了坝陵河大桥隧道锚室腐蚀较为严重的部分锚具和张拉杆进行了PTC包覆示范。2018年11月，对PTC包覆示范效果进行了现场验证，验证结果如图9所示。图9（a）表明打开验证前防腐层完好，图9（b）显示擦掉防蚀膏后钢结构没有继续发生腐蚀，之前发生锈蚀部分的铁锈也已经转化为黑色的钝化膜，图9（c）为包覆PTC部分（上半部分）和没有包覆部分（下半部分）的对比图，结果表明PTC包覆技术对其起到了有效地保护效果。

图9 坝陵河大桥隧道锚室PTC包覆验证结果

鉴于良好的示范工程防腐效果，最终于2020年7月对坝陵河大桥两个锚室的所有锚具均采用了PTC技术进行防腐，面积达1400m2。

C.PTC防腐技术在其他桥梁防腐中的应用实例

图10 广西合浦人行桥钢结构PTC施工

图11 武汉杨泗港大桥锚碇锚固系统螺栓群的螺栓采用PTC技术进行防腐处理

(2)大气区异型部件防腐解决方案——氧化聚合型包覆防腐蚀技术(OTC)

①OTC技术的特点及优点

氧化聚合型包覆防腐蚀技术（Oxidation Tape and Covering system，OTC）由氧化聚合型防蚀膏、氧化聚合型防蚀带及外防护剂三层配套体系组成（如图12），主要用于解决桥梁大气区异型部件腐蚀防护难题[34,35]。氧化聚合型防蚀膏、氧化聚合型防蚀带的缓蚀剂中含有锈转化成分，可带锈施工，无明显鼓泡和浮锈即可，表面处理要求低。施工后，防护剂和氧化聚合型防蚀带与空气接触的一侧，氧化聚合形成坚韧皮膜，具有良好的耐老化性能；粘贴在金属结构表面的一侧，则永久保持非固化、柔软的状态，从而达到长效的防腐蚀性能。OTC材料柔软易贴合，可以广泛适用于各种复杂形状的结构，防腐寿命大于30年。

图12 氧化聚合型包覆防腐层结构示意图

②OTC技术在桥梁防腐中的应用案例

A.秀山大桥护栏基础防腐工程

秀山大桥位于舟山市岱山县，全长3063m，桥宽24m，双向四车道。其主桥为主跨926m的双塔三跨钢箱梁结构悬索桥，全长1557m，是浙江省第二大海上悬索桥。岱山属北亚热带南缘季风海洋性气候，高温、高盐、高湿的环境使大桥面临非常严峻的腐蚀环境。桥梁建设期间，未作特殊防腐处理的螺栓螺母在施工结束之前就普遍存在锈蚀现象。

地脚螺栓是桥梁护栏金属构件与基础面连接、紧固的重要组件，需具备高强度、抗震性能优良等特点。一旦出现腐蚀问题，会降低地脚螺栓自身的性能，在生产中产生重大安全隐患。螺栓螺母属于大桥的异型部位，非常容易发生电偶腐蚀和机械应力腐蚀，而螺栓螺母更换难度非常大，从桥梁使用寿命的角度考虑，做好螺栓螺母的防腐蚀措问题施迫在眉睫，必须引起高度重视。

图13 秀山大桥螺栓锈蚀照片

2019年，完成了秀山大桥护栏基础防腐施工，共完成防撞护栏底座（8284套）、路灯底座（206套）和检修护栏底座（1982套）。

图14 秀山大桥护栏基础防腐施工

B.OTC防腐技术在其他桥梁防腐中的应用实例

图15 太原汾河景观人行桥节点及焊缝采用OTC防腐技术

图16 长春洋浦公园桥桥梁钢缆采用OTC防腐技术

图17 成都清水河悬索桥防腐工程

图18 湖北宜昌伍家岗大桥防腐工程

图19 西安建材路灞河桥防腐工程

图20 青岛海湾大桥吊杆防水罩

4.结语

我国是桥梁大国，近年来，大型、特大型桥梁纷纷建成。而腐蚀防护是这些已建成桥梁运行维护的一个主要方面，直接影响到桥梁的运行安全和使用寿命。解决桥梁的腐蚀问题可以有效减少维护桥梁所产生的费用，避免桥梁倒塌等事故造成的人身伤害，采取合理有效的方式对桥梁进行腐蚀防护势在必行。PTC防腐技术、OTC防腐技术具有表面处理简单、防腐寿命长、绿色环保等优势，可解决桥梁锚室等潮湿、积水部位及长期暴露于大气环境中拉索、吊杆、索具、螺栓等异型部位的腐蚀问题，是保障桥梁腐蚀安全的有效防护措施。